船舶强度与结构设计_授课教案_第四章应力集中模块

船舶强度与结构设计_授课教案_第四章应力集中模块

第四章应力集中模块

一、应力集中及应力集中系数

在船体结构中，构件的间断往往是不可避免的。间断构件在其剖面形状与尺寸突变处的应力，在局部范围内会产生急剧增大的现象，这种现象称为应力集中。

由于船体在波浪上的总纵弯曲具有交弯的特性，应力集中又具有三向应力特性，严重的应力集中更易于引起局部裂纹和促进裂纹的逐渐扩展。第二次世界大战中和大战后，由于结构开口引起应力集中从而产生裂缝导致船体折断的事故占整个船体结构海损事故总数中的极大部分。因此，在第二次世界大战后，关于船体结构的应力集中问题，曾引起了造船界的普遍重视，开展了大量的研究工作。现在，对这个问题已经有了比较清楚地了解。

由于应力集中是导致结构损坏的一个重要原因，结构设计工作者在设计中必须始终注意这个问题。再进一步对船体结构中比较突出的几个应力集中问题及该区域的结构设计作一些介绍。

通常，用应力集中系数来表示应力集中的程度。应力集中区的最大应力m ax

σ或m ax τ分别与所选基准应务0σ或0τ之比值，即

0max 0max ττ

σσ==

k k 或

（1） 称为应力集中系数。基准应力不同，应力集中系数也不同。所以，给定应力集

中系数时，应指明基准应力的取法。

间断构件的应力变化规律以及应力集中系数的大小很大程度上决定于这些构件的形状。目前，已经能够确定各种形状的间断构件的应力集中系数。

二、开口的应力集中及降低角隅处应力集中的措施

在大型船舶上，强力甲板上的货舱口、机舱口等大开口，都严重地破坏了船体结构的连续性。当船舶总纵弯曲时，在甲板开口角隅外的应力梯度急剧升高，引起严重的应力集中，造成船体结构的薄弱环节。关于舱口角隅处应力集中的确定，导致去除方角而采用圆弧形角隅，并在角隅处采用加复板或厚板进行加强，同时要采用IV 级或V 级的材料。 1.开口的应力集中

关于孔边的应力集中，可用具有小椭圆开孔的无限宽板受位抻的情况来说明（见下图）。应用弹性理论可求得A 、B 两点的应力分别为：

A

B

2a 2b

2b

⎪⎭⎪

⎬⎫

-=+=σσσσB A p a )21(

（2）

式中σ为无限远处的拉伸应力；

a b /2

=ρ为椭圆孔在A 点的曲率半径；b a 22与分别为垂直及平行于拉伸方向的椭圆主轴，负号代表压应力。

若以离开椭圆孔无限远处的拉伸应力作为基准应力，则A 点的应力集中系数为：

p a

a A 2

1+=

（3）

式（3）可推广到圆形开孔，此时0.3,==A a b a 故。此外，还可推广应用到钢板中的裂缝（见下图）。假设在甲板上沿船宽方向出现裂缝，裂缝长为

b 。a 宽为,201100/==A

，a

b a 时当，可见裂缝尖端处的应力集中是非常大的。因

此，裂缝一经产生，必继续蔓延扩大，直至结构破坏。若在裂缝尖端钻一小孔，直径约18mm ，便可防止裂缝进一步蔓延，故称为止裂孔。这就是为何在以前建造的船舶舷边设置铆接的舷边角钢能止裂的原因。

A

B

2a 2b

2b

受位伸的矩形开口角隅处的应力集中，主要受下述因素的影响。 （1）开口宽度与整个船宽的比值b/B ，b/B 增大，应力集中系数增大。 （2）开口长宽比a/b ，a/b 增大，应力集中系数降低。

（3）开口角隅处的形状。其中开口角隅处的形状对应力集中系数影响最

大。

采用圆弧形角隅的大舱口，根据实船的试验资料，最大应力一般发生在舱口纵边上圆弧终止点内侧约成300角的圆弧边缘上，如下图所示。由图可看出，角

隅圆弧半径τ与开口宽度b 之比是影响应力集中的主要因素。1

.0

τ

时，应力

集中系数急剧增大，但当2

.0>b τ

时，应力集中系数不再变化，这与光弹性试验

结果也是一致的。

000

舱口角隅采用椭圆形或抛物线形，且长轴沿船长方向，进一点改善了过

渡方式，这时的应力集中系数比采用圆弧形的应力集中系数低。在保持同样开口面积情况下，把圆弧改成椭圆或抛物线形状，应力集中系数可降低12%-20%。所以，近代各船级协会规范在推荐采用这两种形状的角隅时，都不要求在角隅

处再加厚板。因此，这两种形式的角隅不仅结构更合理，而且工艺更简单。

要指出,开孔板的受力情况不同,其应力集中也是不同的,对一般货船,甲板开口应力集中主要以承受总纵弯曲的拉伸与压缩应力为对象。对于大开口船舶,船体的扭转不可忽视,此时不仅甲板产生切应力,而且还必须考虑船体扭转产生舱口菱形变形所引起的应力集中。特别是对集装箱箱船,这是不容忽视的问题。

2、甲板上开口的设计

（1）开口方位的布置

为防止应力集中引起结构的破坏，在高应力区域和已经存在较大应力集中的区域内，应尽量避免开孔。例如，在强力甲板开口线以外的区域应尽量少开口，并须避开舱口角隅；在船中部桥楼和甲板室的前端壁与货舱角隅之间的强力甲板上，以及上层建筑端部的舷顶列板上等处所，也应尽量避免开口。

如需开口，开口的长边应沿船长方向布置。

（2）降低开口应力集中的结构措施

在结构设计时必须充分注意舱口角隅处的结构细节，对强力甲板上的机炉舱口，货舱口，为降低角隅处的应力集中，可采取如下一些措施；

①采用圆弧形舱口角隅。此时，角隅半径与舱口宽度之比不小于1/10（现《海船规范》已放宽到1/20）。但是，过大的圆角半径会使舱口有效面积减少，从而影响装卸货效率。此外，为进一步降低舱口角隅的应力集中，在角隅的高应力区还要加厚板或加复板的方法给予加强。加厚板较原来厚增加4mm(海船)或0.5倍（内河船），加厚的范围如下图所示，并且加厚板端接缝应与舱口围板的端接缝以及甲板骨架的角接焊缝错开。由于加厚板与相邻甲板厚度不同，产